JP6132311B2 - 低重合度セルロースエーテルの製造方法 - Google Patents
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Description
黄変もしくは変色度の低い又は排除された低重合度セルロースエーテルを製造する方法が望まれている。また、このような低重合度セルロースエーテルを用いた医薬カプセル及び食品も望まれている。
具体的には、パルプとアルカリ金属水酸化物溶液を接触又は混合させてアルカリセルロースを得る工程と、上記アルカリセルロースに酸素を反応させ、上記アルカリセルロースの粘度低下率を10〜95%とする第1解重合工程と、解重合されたアルカリセルロースにエーテル化剤を反応させる工程と、上記エーテル化剤との反応物を洗浄後、乾燥してセルロースエーテルを得る工程と、上記セルロースエーテルに塩酸を接触させ、上記セルロースエーテルの粘度低下率を40〜99.9%とする第2解重合工程とを少なくとも含んでなる低重合度セルロースエーテルの製造方法を提供する。
セルロースエーテルとして、好ましくは、アルキルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、又はヒドロキシアルキルアルキルセルロースであり、更に好ましくはヒドロキシアルキルアルキルセルロースエーテル、特にヒドロキシプロピルメチルセルロースである。
本発明の方法で得られた低重合度セルロースエーテルは、更にエステル化されてセルロースエーテルフタレート、セルロースエーテルアセテートフタレート、セルロースエーテルアセテートサクシネート等の低重合度セルロースエーテルエステルに変換されてもよい。
アルカリセルロース製造前における酸素量の調製は、反応器にパルプを投入する前後又は投入の途中のいずれにおいても行なうことができる。
酸素量の調製方法は、特に限定されないが、例えば反応器内のガスを排気後、窒素ガス、ヘリウムガス等の酸素を含まないガスを再充満させる方法、酸素を含まないガスを通気して置換する方法等によって行なうことができる。酸素量は、調製前の反応器内のガスの種類、反応器内の空間容積、気圧、ガス温度等が分かれば、気体の法則に基づいて容易に計算することができる。このようにして計算した反応器内の酸素量を、パルプ中の固形成分1kg当たり1g以下となるようにするのが望ましい。
粉末状パルプを撹拌しながらアルカリ金属水酸化物溶液をスプレー又は滴下する方法においては、酸素の供給は、アルカリ金属水酸化物溶液の添加中又はアルカリ金属水酸化物溶液の添加が終了した後に連続的又は断続的に行なわれるが、アルカリ金属水酸化物溶液の添加がより進行した後、例えばアルカリ金属水酸化物溶液添加量の3分の1量以上、特に全量添加した後が好ましい。このようにアルカリ金属水酸化物溶液の添加がより進行した後に酸素を供給することで、アルカリ金属水酸化物溶液の添加が多い程パルプ上のアルカリ金属水酸化物の分布が均一になり、解重合反応が均一になる。なお、アルカリ金属水酸化物溶液を全量添加後、数分から数十分後に酸素を供給することもできる。
酸素の供給方法は、反応器に酸素ガス又は酸素を含むガスを圧入する方法、反応器内のガスを一旦排気した後に酸素を含むガスを充満させる方法、反応器に位置の異なる弁を設け、片側の弁より酸素を含むガスを供給し、もう一方の弁より排気する方法等により行なわれる。位置の異なる弁を設ける方法における酸素ガス又は酸素を含むガスを移動させる手段としては、圧縮ガスによる供給、排風機によるガスの排気又は供給、真空ポンプによるガスの排気等によって行なわれる。
酸素の供給量は、用いるパルプの重合度、セルロースエーテルの目的粘度、酸素とアルカリセルロースとの解重合温度、解重合反応の時間及び酸素供給の前に既に反応器内に存在する酸素量により異なるが、通常、パルプ中の固形成分1kg当たり、好ましくは0.1g以上、より好ましくは0.5g以上供給する。
アルカリセルロースの酸素による第1解重合反応の温度は、好ましくは20〜100℃、より好ましくは30〜90℃、更に好ましくは40〜90℃である。アルカリセルロースの酸素による解重合反応の反応時間は温度にもよるが、通常5分〜2時間で行われる。
粘度低下率(%)={1−(V1/V0)}×100
アルカリセルロースの酸素による解重合反応によって得られるセルロースエーテルの粘度(酸による解重合反応を行う前の時点における粘度)は、20℃、2質量%水溶液粘度にして、好ましくは30〜10000mPa・s、より好ましくは100〜8000mPa・s、更に好ましくは300〜4000mPa・sである。30mPa・sより低いと洗浄工程において洗浄ロスが多くなったり、黄色度が却って悪化する場合がある一方、10000mPa・sより高いと、本発明の効果が得られない場合がある。
洗浄された反応物は、必要に応じて、圧搾される。圧搾は、好ましくは連続式圧搾機を用いることができる。連続的圧搾機は、連続的にケーキを圧搾することが可能であれば、圧搾方式に特に制限はない。
粉砕の方法としては、特に限定されず、粉砕物を衝突させたり衝突基質にぶつけたりして粉砕する衝撃粉砕装置や、粉砕物を基質に挟み込んで粉砕するボールミル、ローラーミル等いずれの粉砕様式も使用可能である。
フルイ分け方法で測定される質量平均粒径が好ましくは500μm以下であれば、粉砕はしなくてもよい。粉砕前のセルロースエーテルを解重合する場合、この粉砕する前のフルイ分け方法で測定される質量平均粒径が、好ましくは500μm以下、更に好ましくは100〜500μmの状態で、酸による解重合を行うことができるからである。
フルイ分け方法で測定される質量平均粒径が500μmを超える場合には粉砕を行うことが好ましい。平均粒径があまりに大きいと解重合が進みにくいという問題もあるが、粉砕前に解重合を行うことで、セルロースエーテル分子同士の絡み合いによる結合性が弱められ、その後に行う粉砕が容易となり、粉砕において生じる発熱も少なくなるため、セルロースエーテルが変性して着色したり水不溶になってしまうことも防げるので、本発明の効果を発現する上で好ましい。粉砕後のセルロースエーテルを解重合する場合、粉砕によって得られるセルロースエーテルの粒径としては、水への溶解速度が遅くならず、本発明の効果を発揮する上で、フルイ分け方法で測定される質量平均粒径が好ましくは100μm以下、より好ましくは40〜100μmの粉体状のものが好ましい。
解重合に際しての粘度のコントロール方法には、反応温度や添加する酸量によって反応速度を変える方法と反応時間を変化させる方法等があるが、制御の容易さと反応時間の短縮のために、これらの濃度を変える方法が一般に用いられる。
添加する酸触媒の量は、塩化水素を例にとると、原料セルロースエーテル100質量部に対して、好ましくは0.04〜1質量部、より好ましくは0.1〜0.6質量部の範囲で用いられる。この範囲より少ないと反応速度が小さく反応に長時間を要する一方、これよりも多いと反応の制御が難しく、また触媒の除去に時間がかかるだけでなく触媒が不純物として製品中に多量に残存し易くなる。
酸触媒を用いる場合、反応速度を適度に制御するため、反応温度は好ましくは40〜85℃、反応時間は好ましくは0.1〜4時間である。
酸で加水分解した場合は、好ましくは、反応後に酸を脱気により取り除くことを行うが、それでも残留酸が除けない場合は、重炭酸ソーダ等の弱アルカリ粉を混合する等して中和する。
粘度低下率(%)={1−(V2/V0)}×100
アルカリセルロースと酸素の反応による第1解重合による粘度低下率に対する塩酸を用いた第2解重合の粘度低下率の比は、次の式で計算できる。
粘度低下率の比={1−(V2/V1)}/{1−(V1/V0)}
上式中、V0(mPa・s)は、アルカリセルロースの酸素による第1解重合反応及びセルロースエーテルの酸による第2解重合反応のいずれの解重合も行わずに得たセルロースエーテルの20℃、2質量%水溶液粘度であり、V1(mPa・s)は、アルカリセルロースの酸素による第1解重合反応を行った後のセルロースエーテルの20℃、2質量%水溶液粘度であり、V2(mPa・s)は、更に酸による第2解重合反応を行った後のセルロースエーテルの20℃、2質量%水溶液粘度である。
粘度低下率の比が0.7よりも低くなると、アルカリセルロースに酸素を反応させることによる粘度低下率が大きくなる場合がある。黄色物はアルカリセルロースと酸素の反応による第1解重合工程と、得られたセルロースエーテルを塩酸を用いる第2解重合工程のいずれにおいても発生するが、アルカリセルロースと酸素の反応において発生した黄色物はエーテル化反応に引き続き行われる洗浄工程において大部分が除去される。しかし、アルカリセルロースと酸素の反応において極度に重合度を低下させると、上記洗浄工程において洗浄が困難になる。すなわち、極度に重合度が低下されたセルロースエーテルは粒子が緻密となり、粒子内部の不純物、例えば反応副生物である塩類、エーテル化剤の副反応生成物及び黄色性の物質の抽出除去を困難にする。また、極度に重合度低下されたセルロースエーテルは洗浄用の溶媒に溶解又は膨潤し、濾過工程においてロスを引き起こしたり、濾過を困難にさせる。
一方、粘度低下率の比が8.0を超えると、酸を用いて解重合を行うことによる粘度低下率が大きくなる場合がある。酸による第2解重合後のセルロースエーテルは、所望の最終重合度に調製されており、錠剤のコーティングに通常使用される粘度である20℃、2質量%水溶液粘度が2〜30mPa・sの場合、洗浄はより困難となり、通常は洗浄せず製品化される。従って、酸による解重合の際に生じた黄色物質は除去されることなく製品に残留し、製品の黄色度に反映され易い。
本発明はアルカリセルロースと酸素の反応による第1解重合工程と、得られたセルロースエーテルと塩酸による第2解重合を行う比率を最適化することにより、最終製品の黄変又は変色を最も低くすることができる。第1解重合及び第2解重合とも塩酸により行うと、解重合の際に生じた黄色物質が除去されることなく製品に残留し、製品の黄色度に反映され易いので好ましくない。また、第1解重合及び第2解重合ともに酸素により行うと、解重合の際に生じた黄色物質は洗浄工程で除去されにくくなり製品に残留し、製品の黄色度に反映され易いので好ましくない。
(a)解重合を伴わないヒドロキシプロピルメチルセルロース(HPMC)の製造
チップ状のウッドパルプ(Dpw=2100)を44質量%水酸化ナトリウム水溶液に浸漬した後、遠心分離することによりアルカリセルロースを得た。アルカリセルロース中のアルカリ金属水酸化物/パルプ中の固体成分の質量比率を滴定法により求めたところ、1.25だった。得られたアルカリセルロースをパルプ中の固形成分として5.5kgを100Lの耐圧反応器に仕込み、真空引き後、塩化メチル11kg、プロピレンオキサイド2.7kgを加えて反応させた後、熱水により洗浄を行い、ジャケット加熱と熱風による加熱を併用した乾燥機にて乾燥減量2質量%まで乾燥し、衝撃粉砕を経てHPMCを得た。得られたHPMCの日本薬局方の測定方法に基づく置換度は、DS1.90、MS0.25であり、20℃、2質量%水溶液の粘度は4000mPa・sだった。以上より、解重合を行わない場合のHPMCの粘度が判明した。
前記(a)と同様にして、チップ状のウッドパルプ(Dpw=2100)を44質量%水酸化ナトリウム水溶液に浸漬した後、遠心分離することによりアルカリセルロースを得た。アルカリセルロース中のアルカリ金属水酸化物/パルプ中の固体成分の質量比率を滴定法により求めたところ、1.25だった。得られたアルカリセルロースをパルプ中の固形成分として5.5kgを100Lの耐圧反応器に仕込んだ後、撹拌しながら反応器の中に空気を通気した。通気速度は5.5NL/分だった。反応器のジャケットに温水を通すことにより内部のアルカリセルロースを加熱した。アルカリセルロースの温度は35℃から開始し、その後上昇して40分後に70℃となった。40分後に通気を停止し、直ちに真空引きを行った。真空引き後、塩化メチル11kg、プロピレンオキサイド2.7kgを加えて反応させ、反応後熱水により洗浄を行い、ジャケット加熱と熱風による加熱を併用した乾燥機にて乾燥減量2質量%まで乾燥し、衝撃粉砕を経てHPMCを得た。得られたHPMCの日本薬局方の測定方法に基づく置換度は、DS1.90、MS0.25であり、20℃、2質量%水溶液の粘度は340mPa・sだった。以上より、酸素による解重合を行った場合のHPMCの粘度が判明した。酸素による解重合による粘度低下率は、(1−340/4000)×100=91.5%だった。
上記酸素による解重合を伴う製造により得られたHPMC1kgを容積20Lのヘンシェルミキサーに入れ、200rpmで撹拌混合しながら12質量%塩酸を噴霧した。噴霧量は、HPMCに対するHClが0.3質量%となるようにした。このうちの50gを500mlのガラス製反応器に移し入れ、反応器を80℃の水浴中で加熱しながら回転させ60分間反応させた。この温度のまま60分間反応器を60mmHgの減圧状態とし、塩化水素と水を揮発させた。次に、添加したHCl分の1/2モル分に相当する重炭酸ソーダを加えて中和し、低重合度HPMCを得た。得られたHPMCの日本薬局方の測定方法に基づく20℃、2質量%水溶液の粘度は、6mPa・sだった。酸による解重合による粘度低下率は、(1−6/340)×100=98.2%だった。酸素による解重合の粘度低下率に対する酸による解重合の粘度低下率の比は、98.2/91.5=1.07だった。
この2質量%水溶液をSMカラーコンピュータ「SM−4」(スガ試験機社製)により黄色度を測定したところ、YI=10であった。
アルカリセルロース中のアルカリ金属水酸化物/パルプ中の固体成分の質量比率を1.05とし、得られたアルカリセルロースをパルプ中の固形成分として5.5kgを100Lの耐圧反応器に仕込み、真空引き後、塩化メチル10kg、プロピレンオキサイド1.3kgを加える以外は、実施例1と同様に行った。得られたHPMCの日本薬局方の測定方法に基づく置換度は、DS1.80、MSは0.15だった。結果を表1に示す。
実施例1(b)において12分後に通気を停止した以外は、実施例1と同様に酸素による解重合を行ったところ、停止時のアルカリセルロースの温度は52℃であった。また、実施例1(c)において反応時間を70分間にする以外は、実施例1と同様に行った。結果を表1に示す。
チップ状のウッドパルプとしてDpw=1550のものを用い、実施例1(b)において70分後に通気を停止した以外は、実施例1と同様に酸素による解重合を行ったところ、停止時のアルカリセルロースの温度は79℃であった。また、実施例1(c)において反応時間を50分間にする以外は、実施例1と同様に行った。結果を表1に示す。
チップ状のウッドパルプとしてDpw=4400のものを用い、実施例1(b)において10分後に通気を停止した以外は、実施例1と同様に酸素による解重合を行ったところ、停止時のアルカリセルロースの温度は50℃であった。また、実施例1(c)において反応時間を75分間にする以外は、実施例1と同様に行った。結果を表1に示す。
実施例1(c)において反応時間を10分間にする以外は、実施例1と同様に行った。結果を表1に示す。
実施例1(b)において12分後に通気を停止した以外は、実施例1と同様に酸素による解重合を行ったところ、停止時のアルカリセルロースの温度は52℃あった。また、実施例1(c)に反応時間を12分間にする以外は、実施例1と同様に行った。結果を表1に示す。
チップ状のウッドパルプとしてDpw=1550のものを用い、実施例1(b)において70分後に通気を停止した以外は、実施例1と同様に酸素による解重合を行ったところ、停止時のアルカリセルロースの温度は79℃であった。また、実施例1(c)において反応時間を7分間にする以外は、実施例1と同様に行った。結果を表1に示す。
チップ状のウッドパルプとしてDpw=4400のものを用い、実施例1(b)において10分後に通気を停止した以外は、実施例1と同様に酸素による解重合を行ったところ、停止時のアルカリセルロースの温度は50℃であった。また、実施例1(c)において反応時間を14分間にする以外は、実施例1と同様に行った。結果を表1に示す。
酸素による解重合のみを行ったHPMCの製造
アルカリセルロースの加熱においてアルカリセルロースの温度は35℃から開始し、その後上昇して100分後に97℃となり、100分後に通気を停止する以外は、実施例1の(b)と同様に行った。結果を表1に示す。
酸による解重合のみを行ったHPMCの製造
原料として実施例1(a)の方法で得られたヒドロキシプロピルメチルセルロースを用い、酸による解重合を80℃の水浴中で加熱しながら回転させ75分間反応させる以外は実施例1(c)と同様に行った。結果を表1に示す。
Claims (3)
- パルプとアルカリ金属水酸化物溶液を接触又は混合させてアルカリセルロースを得る工程と、
上記アルカリセルロースに酸素を反応させ、上記アルカリセルロースの粘度低下率を10〜95%とする第1解重合工程と、
解重合されたアルカリセルロースにエーテル化剤を反応させる工程と、
上記エーテル化剤との反応物を洗浄後、乾燥して、2質量%の水溶液粘度が30〜10000mPa・sのセルロースエーテルを得る工程と、
上記セルロースエーテルに塩酸を接触させ、上記セルロースエーテルの粘度低下率を40〜99.9%とする第2解重合工程と
を少なくとも含んでなる低重合度セルロースエーテルの製造方法。 - 上記第1解重合工程の粘度低下率に対する第2解重合工程の粘度低下率の比が、0.7〜8.0である請求項1に記載の低重合度セルロースエーテルの製造方法。
- 上記セルロースエーテルが、アルキルセルロース、ヒドロキシアルキルセルロース、又はヒドロキシアルキルアルキルセルロースである請求項1又は請求項2に記載の低重合度セルロースエーテルの製造方法。
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